国际实验聚变堆铍铜焊接件的超声建模系统应用

李宁 柴玉琨 王哲

摘 要：屏蔽包层作为国际热核聚变實验堆（ITER）的关键部件之一，其主要作用是作为直接面对等离子体的部件，承载聚变反应过程中的中子辐照及高热，而屏蔽包层就是由铍铜焊接件组成。针对国际实验聚变堆（ITER）铍铜焊接件的曲面带间隙结构，在基础超声的理论研究之上，建立了CAD曲面模型，进而研发了一套铍铜焊接件超声结合质量检测系统，能够有效解决带间隙曲面工件无法检测的问题，通过对对比试块的检验，验证了此系统的有效性。

关键词：超声检测 CAD建模 国际实验聚变堆

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0116-02

为了使铍铜焊接件能够承载高的核热，达到聚变实验堆安全运行的目的，对聚变实验堆铍铜焊接件的结合质量检测就显得尤为重要；若铍铜焊接件不进行结合质量的检测，在等静压和电子束焊接的过程中，或者在材料加工过程中难免会造成一些缺陷和裂纹，而这些缺陷和裂纹对屏蔽包层整体功能的影响很大，对于整个反应堆来说甚至是致命的[1]。因此，为了保证将来反应堆的安全运转，必须对铍铜焊接件的结合质量进行无损检测。铍铜焊接件CAD图（见图1）。

1 建模实验

由于被检面为一曲面，为了使超声波探头在整个检验过程中始终保持与工件表面相垂直，需要对工件被检面进行数学建模，建模使用超声波原理，利用声束入射角与表面波时域特征值之间关系，建模示意图（见图2）。

2 超声结合质量自动检测系统

超声结合质量自动检测系统包括检测扫描传动装置、扫描控制系统、数据采集系统、超声成像系统、超声波探伤仪及探头五大部分组成。

结构组成部分功能如下。

（1）检验扫描装置是用于实现对弧形材料检验的装置。该装置主要由探头X、Y、Z移动装置（每轴由滚珠丝杠部、直线导轨、步进电机组成）、探头A、B轴向旋转系统装置（由伺服电机带动）、探头X、Y、Z三向磁栅位移传感器、专用的工装夹具、机架、平台、水槽等组成。

（2）扫描控制系统主要包括系统初始化、参数设置、测量点初步规划、检验面数学建模、测量点自动规划、X、Y、Z、A、B五维传动轴的手动控制及自动控制。

（3）数据采集系统是实现对检测原始数据的实时采集、存储。超声成像系统是对采集系统所获得的检测数据进行处理，并转化直观、量化的检测结果图，对检测结果能自动处理、存储，并能给出在检测过程中能够对已检测区域的结果实时显示，并以不同色彩区分显示缺陷的严重程度，具有防止漏检功能。

（4）超声成像系统根据数据采集系统获得的数据进行波形分析，自动实时给出检测结果，输出缺陷点成像情况包括C扫面图像及光标处图像点的A扫描波形图，输出检验报表。

（5）超声波探伤仪采用GE公司的USN60型脉冲反射式超声波探伤仪，性能指标满足系统设计要求，符合JB/T10061-1999的规定。探头为专用超声波探头选择水浸点聚焦探头。

超声结合质量自动检测系统（见图3）。

3 验证实验

3.1 验证试块

在铍铜焊接件的超声结合质量检测系统建立后，为确定该自动检验系统的有效性，制作了验证试块，对其进行了功能试验，主要包括曲面建模实验和灵敏度实验。

验证试块的作用是开展建模实验，验证建模程序；开展灵敏度实验，验证检验灵敏度。所以，设计该试块时，需要遵循以下几点：（1）能够代表实际工件的形貌，曲率及沟槽尺寸与实际工件相同；（2）表面弧长与实际工件相同；（3）在工件底部设置有4个Ф1mm平底孔，平底孔位置与铍铜界面的位置相同；（4）由于是验证试块，为便于加工，材料采用不锈钢。验证试块（见图4）。

3.2 CAD曲面建模验证实验

铍铜焊接件超声结合质量自动检测系统的准确性是建立在曲面建模准确的基础上进行，因此曲面的数学模型与工件的一致性是至关重要的。为了确定其正确性，使用自动检测系统进行曲面建模验证实验，曲面建模的对像是：验证试块，使用自动检测系统对其进行了数学建模。由结果可以得出：该自动检测系统的曲面建模是准确的，能满足下一步检测的需要。曲面建模结果（见图5）。

3.3 检验灵敏度验证实验

铍铜焊接件超声结合质量自动检测系统的检验灵敏度是另一个关键指标，课题组对检测系统进行了检验灵敏度验证实验，检验对象是：验证试块。首先手动调节使检测系统能够发现Ф1mm平底孔，在此基础上再进行超声自动扫查验证试块。扫查结果表明，超声自动检测系统能够正确发现φ1mm平底孔及以上人工反射体，满足设计要求。扫查结果（见图6）。

4 结语

该文主要描述的是一种可以实现超声波技术与建模技术的融合，根据超声波回波情况对工件曲面形貌进行100%扫描建模，实现基于超声波法的建模技术、超声成像技术、超声波自动化检验技术的集成，保证实时调节探头与多斜率曲面模块保持垂直，解决了多斜率曲面模块无法自动检验的难题，最终达到实时显示、自动判别检验结果的自动化检测，结果准确可靠，满足欧标要求，具有较好的经济和社会效益。

参考文献

[1] 康伟山，张斧，吴继红，等.ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析[J].核聚变与等离子体物理，2007，27（4）：320-323.